加州理工科學家成功使用激光快速和暫時改變材料特性

2021-12-30 13:25:49來源：cnBeta.COM 關鍵詞：激光材料閱讀量：20930

導讀：想象一下，窗戶可以很容易地轉(zhuǎn)變?yōu)殓R子，或者超高速計算機不是靠電子而是靠光來運行。

　　想象一下，窗戶可以很容易地轉(zhuǎn)變?yōu)殓R子，或者超高速計算機不是靠電子而是靠光來運行。這些只是光學工程可能出現(xiàn)的一些潛在應用，光學工程是利用激光快速和暫時改變材料屬性的做法。加州理工學院物理學教授謝漢強(David Hsieh)說：“這些工具可以讓你在按下電燈開關時改變材料的電子特性。但是這些技術一直受到激光器在材料中產(chǎn)生過多熱量問題的限制。”

　　在《自然》雜志的一項新研究中，謝漢強和他的團隊，包括主要作者和研究生單俊義(音譯)，報告了在不產(chǎn)生任何多余的破壞性熱量的情況下，成功地使用激光來大幅雕琢材料的特性。

　　單俊義說：“這些實驗所需的激光器非常強大，所以很難不加熱和損壞材料。一方面，我們希望材料受到非常強烈的激光照射。另一方面，我們不希望材料完全吸收這些光。”

　　單俊義表示，該團隊找到了一個解決這個問題的“甜區(qū)”，激光的頻率被微調(diào)，以明顯改變材料的特性，而不產(chǎn)生任何不必要的熱量。

　　科學家們還說他們找到了一種理想的材料來證明這種方法。這種材料是一種叫做三硫磷化錳的半導體，在廣泛的紅外頻率范圍內(nèi)自然只吸收少量的光。在他們的實驗中，研究人員使用強烈的紅外激光脈沖，每個脈沖持續(xù)約10-13秒，以迅速改變材料內(nèi)部電子的能量。結果，對于某些顏色的光，該材料從高度不透明的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨韧该鞯臓顟B(tài)。

　　研究人員說，更關鍵的是，這個過程是可逆的。當激光關閉時，該材料立即回到其原始狀態(tài)，完全沒有受到影響。如果材料吸收了激光并發(fā)熱，這是不可能的，因為材料需要很長時間來散熱。新工藝中使用的無熱操作被稱為"相干光學工程"。

　　該方法之所以有效，是因為光改變了半導體中電子的能級差異(稱為帶隙)，而沒有將電子本身“踢”到不同的能級，而這正是產(chǎn)生熱量的原因。

　　“這就像你有一艘船，然后一個大浪襲來，大力地將船上下?lián)u晃，卻沒有導致任何乘客掉下來，”謝漢強解釋說。“我們的激光正在大力搖動材料的能級，這改變了材料的特性，但電子卻保持原狀。”

　　研究人員以前曾設想過這種方法將如何工作。例如，在20世紀60年代，加州理工學院校友Jon H. Shirley提出了關于如何在光的存在下解決材料中電子能級的數(shù)學想法。在這項工作的基礎上，謝漢強的團隊與加州大學圣塔芭芭拉分校的理論家葉孟興(音譯)和Leon Balents合作，計算了激光照射在三硫磷化錳中的預期效果。謝漢強說，該理論以"非凡的"精度與實驗相匹配。

　　謝漢強說，這些發(fā)現(xiàn)意味著其他研究人員現(xiàn)在有可能利用光來人工創(chuàng)造材料，例如奇異的量子磁鐵，否則這些材料很難甚至不可能自然創(chuàng)造。

　　單俊義說：“原則上，這種方法可以改變材料的光學、磁性和許多其他屬性。這是一種從事材料科學的替代方式。與其制造新材料來實現(xiàn)不同的特性，我們可以只用一種材料，并最終賦予它廣泛的有用特性。”

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